国芳纶纤维的研究进展及发展展望

前言l题目：国芳纶纤维的研究进展及发展展望

芳纶全称为“聚对苯二甲酰对苯二胺”，英文为Aramidfiber。是一种新型高科技合成纤维，具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻、绝缘、抗老化、生命周期长等优良性能，其强度是钢丝的5～6倍，模量为钢丝或玻璃纤维的2～3倍，韧性是钢丝的2倍，而重量仅为钢丝的1/5左右，在560度的温度下，不分解，不融化。它具有良好的阻燃性、绝缘性和抗老化性能，具有很长的生命周期。广泛应用于复合材料、防弹制品、建材、特种防护服装、电子设备等领域。高新技术纤维产业“十二五”规划发展将芳纶1414的生产定为“中试攻关到产业化生产阶段”，强化“装备、原料、纤维”同步公关。山东省2009自主创新成果转化重大专项项目指南中将“千吨级芳纶Ⅱ、芳纶纤维及原料、芳纶纸及应用、芳纶纤维制品”列为重点扶持14个高新技术产业链中的重点内容。摘要关键词：芳纶，生产工艺，市场分析，前景

ThePresentSituationandTheOutlookofAramidFiberABSTRACTAromaticpolyamidefiberisofaramidfibercollectively,foreigngoodsbrandcalledkayfulla(Kevlar)fiber,ourcountrynamedaramidfiber.Aromaticpolyamidefibertheearliestdevelopmentintheearly1960s,in1962theUnitedStatesduponttakestheleadindevelopingacommodity,called"Nomex"betweenaaramid,andin1967startedtoindustrialpro-duction;1966yearsanddevelopedthegoods,called"Kevlar"highper-formanceofaramid,andin1971startedtoindustrialproduction;Nowengagedintheproductionofaramid1414globalmanufacturermainlyAmer-icandupont(Kevlar),Japaneseemperorpeoplemale(Twaron,Technora),Russia(Pycap)heat.目录前言芳纶全称为“聚对苯二甲酰对苯二胺”。是一种新型高科技合成纤维，具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻、绝缘、抗老化、生命周期长等优良性能，其强度是钢丝的5～6倍，模量为钢丝或玻璃纤维的2～3倍，韧性是钢丝的2倍，而重量仅为钢丝的1/5左右，在560度的温度下，不分解，不融化。它具有良好的阻燃性、绝缘性和抗老化性能，具有很长的生命周期。广泛应用于复合材料、防弹制品、建材、特种防护服装、电子设备等领域。高新技术纤维产业“十二五”规划发展将芳纶1414的生产定为“中试攻关到产业化生产阶段”，强化“装备、原料、纤维”同步公关。山东省2009自主创新成果转化重大专项项目指南中将“千吨级芳纶Ⅱ、芳纶纤维及原料、芳纶纸及应用、芳纶纤维制品”列为重点扶持14个高新技术产业链中的重点内容。REF_Ref168484390\r\h错误！未找到引用源。REF_Ref168484424\h错误！未找到引用源。PAGE6l第1章绪论1.1芳纶纤维的概述1.1.1芳纶纤维的定义芳纶纤维是芳香族聚酰胺类纤维的统称，国外商品牌号叫做凯芙拉纤维，我国命名为芳纶纤维1414。1.1.2芳纶纤维的分类芳纶纤维按分子结构可分为三种类型：对位芳香族聚酰胺纤维，间位芳香族聚酰胺纤维，芳香族聚酰胺共聚纤维。其中对位芳香族聚酰胺纤维又分为聚对苯酰胺（聚对氨基苯甲酰）纤维、聚苯二甲酰胺对苯二胺纤维，间位苯二甲酰间苯二胺纤维分为聚间苯二甲酰间苯二胺纤维、聚N,N-间苯双-（间苯甲酰胺）对苯二甲酰胺纤维。[2]1.2芳纶纤维的特点1.良好的机械特性间位芳纶是一种柔性高分子，断裂强度高于普通涤纶、棉、尼龙等，伸长率较大，手感柔软，可纺性好，可生产成不同纤度、长度的短纤维和长丝，在一般纺织机械制成不同纱支织成面料、无纺布，经过后整理，满足不同领域的防护服装的要求。2.优异的阻燃、耐热性能间位芳纶的极限氧指数（LOI）28，因此当它离开火焰时不会继续燃烧。间位芳纶的阻燃特性是由其自身化学结构所决定的，因而是一种永久阻燃纤维，不会因使用时间和洗涤次数降低或丧失阻燃性能。间位芳纶具有很好的热稳定性，在205℃的条件下可以连续使用，在大于205℃高温条件下仍能保持较高的强力。间位芳纶具有较高的分解温度，而且在高温条件下不会熔融、融滴，当温度大于370℃时才开始炭化。3.稳定的化学性质除强酸与强碱以外，芳纶几乎不受有机溶剂、油类的影响。芳纶的湿强度几乎与干强度相等。对饱和水蒸气的稳定性，比其他有机纤维好。芳纶对紫外线是比较敏感的。若长期裸露在阳光下，其强度损失很大，因此应加保护层。这种保护层必须能阻挡紫外光对芳纶骨架的损害。4.耐久性间位芳纶优良的耐摩擦和耐化学品性能，经过100次洗涤后，用间位芳纶加工的布料撕破强力仍可以达到原强力的85%以上。对位芳纶的耐温性能要高于间位芳纶，连续使用温度范围为-196℃～204℃，在560℃高温下不分解、不熔化。对位芳纶最显著的特性是高强度、高模量，其强度大于25克/旦，是优质钢材的5～6倍、玻纤的3倍、高强尼龙工业丝的2倍；模量是优质钢材或玻璃纤维的2～3倍、高强尼龙工业丝的10倍。1.3芳纶纤维的应用作为一类高性能材料，对位芳纶的优异性能在不同的领域被开发应用。实际上，对位芳纶不但可以单独用作各种结构材料和功能材料，而且还可与其它材料复合应用。

目前芳纶的主要消耗领域是橡胶工业、摩擦密封材料、防弹防护、复合材料和绳缆市场。尤其是对位芳纶在橡胶工业领域的用量稳步增长，年增长率接近10％。2002年轮胎占对位芳纶总用量的10％，橡胶制品占13％；在橡胶制品中，胶管、传动带和胶料用短纤维的用量百分比分别为41％、26％和14％。根据芳纶最终用途的市场区分，对位芳纶的用途分类如下表1.4-2所示。表1.4-2对位芳纶的用途分类用途分类最终用途举例应用特性轮胎飞机轮胎，赛车轮胎，高速轿车轮胎，货车和工程车轮胎，摩托车轮胎，自行车轮胎重量轻，强度高，模量高，尺寸稳定，收缩率低，耐刺破橡胶制品输送带，传动带，汽车用软管，液压系统软管，海洋勘探用软管，油气管道，胶辊，涂覆织物，空气弹簧强力高，模量高，尺寸稳定，耐热好，耐化学品防弹材料防弹衣，头盔，防弹护甲，交通工具保护，战略设施保护强度高，能量耗散性好，质量轻，舒适性好防护服装消防服，防火毯，耐热工作服，阻燃织物，防切割手套，耐切割座椅面料耐热性，阻燃性，耐切割性摩擦密封绝缘材料刹车衬带，离合器衬片，密封圈，盘根，垫圈，触变剂，工业用纸，绝缘材料纤维原纤化，耐热性，耐化学腐蚀，阻燃性，机械性能好复合材料航天航空结构件增强，造船，高速列车厢内隔板，压力容器，集装箱结构，运动及休闲器具，塑料添加剂，土木工程，混凝土加固质量轻，强度高，模量高，耐冲击，耐磨耗绳缆管道电缆增强，通用电缆增强，机械结构用绳缆，船用缆绳强度高，尺寸稳定性好，耐腐蚀，耐热，介电性好通讯电子器材光缆增强材料，机载星载舰载雷达罩，透波结构材料，轻型天线，特种印刷线路板，电子电器运动结构件，控制操纵用电缆强度高，模量高，尺寸稳定性好，透波性好，绝缘性好2.1芳纶1414纤维的生产工艺1000t/a芳纶1414生产线分为聚合、溶剂回收和纺丝生产线三部分。一、聚合部分1.1原料：原料名称原料来源纯度对苯二胺（PPD）上海安诺芳胺化学品公司>99.95%对苯二甲酰氯（TPC）青岛三利本诺化学工业有限公司>99.9%N-甲基吡咯烷酮（NMP）濮阳迈奇科技有限公司>99.9%无水氯化钙（CaCl2）廊坊亚太兴龙化工有限公司>98%1.2生产工艺：聚合反应设备：采用特殊定制的双螺杆连续挤出机作为芳纶1414树脂的主要聚合设备。聚合工艺方法：以NMP-CaCl2作为聚合反应溶剂体系，PPD和TPC采用低温溶液缩聚反应，TPC连续计量进料，初始聚合反应温度为-10℃，后期反应温度<80℃，反应时间为10~20分钟。产物呈黄色粒状，加入热水、冷水洗涤。高于100℃、低于200℃干燥。1.3生产实例实施例1（1）在600L的溶解釜中加入450L的溶剂N-甲基吡咯烷酮，并在氮气保护及搅拌下加入助溶盐45Kg氯化钙，在100℃下加热使助溶盐溶解。然后将溶解釜降温到15℃，在搅拌下加入19.467Kg对苯二胺溶解，对苯二胺在溶剂体系中的摩尔浓度为0.4mol/L。然后将溶解釜降温到0℃，并通过输送泵和流量计将其计量并输送到混合器；保温90℃的对苯二甲酰氯熔体也通过输送泵和流量计将其计量并输送到混合器中心喷嘴。（2）对苯二甲酰氯熔体从混合器中心喷嘴喷出，与从混合器环形喷射口喷出的对苯二胺溶液混合，并通过自重向下流动到旋转搅拌式动态混合器中。动态混合器转速为5000rpm。混合液经过动态混合器混合后经管路进入螺杆反应器。螺杆反应器控制温度不超过70℃，转速100rpm，螺杆中反应时间大约15min。安装在离螺杆出口第二节段的真空排气装置将反应产生的部分氯化氢排出，用碱液中和。（4）将螺杆反应器出口的反应产物在搅拌条件下用大量水清洗，然后过滤出聚合物在100℃条件下干燥12小时，得到聚对苯二甲酰对苯二胺粉末。用乌氏粘度计测定对数比浓粘度为6.24。实施例2（1）在600L的溶解釜中加入450L的溶剂N-甲基吡咯烷酮，并在氮气保护及搅拌下加入助溶盐40Kg氯化钙，在100℃下加热使助溶盐溶解。然后将溶解釜降温到15℃，在搅拌下加入24.332Kg对苯二胺溶解，对苯二胺在溶剂体系中的摩尔浓度为0.5mol/L。然后将溶解釜降温到0℃，并通过输送泵和流量计将其计量并输送到混合器；保温90℃的对苯二甲酰氯熔体也通过输送泵和流量计将其计量并输送到混合器中心喷嘴。（2）对苯二甲酰氯熔体从混合器中心喷嘴喷出，与从混合器环形喷射口喷出的对苯二胺溶液混合，并通过自重向下流动到管式静态混合器中。混合液在管式混合器中停留大约5s后经管路进入螺杆反应器。螺杆反应器控制温度不超过70℃，转速300rpm，螺杆中反应时间大约7min。安装在离螺杆出口第二节段的真空排气装置将反应产生的部分氯化氢排出，用碱液中和。（4）将螺杆反应器出口的反应产物在搅拌条件下用大量水清洗，然后过滤出聚合物在100℃条件下干燥12小时，得到聚对苯二甲酰对苯二胺粉末。用乌氏粘度计测定对数比浓粘度为5.90。实施例3（1）在600L的溶解釜中加入450L的溶剂N-甲基吡咯烷酮，并在氮气保护及搅拌下加入助溶盐38Kg氯化钙，在90℃下加热使助溶盐溶解。然后将溶解釜降温到20℃，在搅拌下加入24.332Kg对苯二胺溶解，对苯二胺在溶剂体系中的摩尔浓度为0.5mol/L。然后将溶解釜降温到-5℃，并通过输送泵和流量计将其计量并输送到混合器；保温85℃的对苯二甲酰氯熔体也通过输送泵和流量计将其计量并输送到混合器中心喷嘴。（2）对苯二甲酰氯熔体从混合器中心喷嘴喷出，与从混合器环形喷射口喷出的对苯二胺溶液混合，并通过自重向下流动到旋转搅拌式动态混合器中。动态混合器转速为5000rpm。混合液经过动态混合器混合后经管路进入螺杆反应器。螺杆反应器控制温度不超过80℃，转速100rpm，螺杆中反应时间大约15min。安装在离螺杆出口第二节段的真空排气装置将反应产生的部分氯化氢排出，用碱液中和。（4）将螺杆反应器出口的反应产物在搅拌条件下用大量水清洗，然后过滤出聚合物在100℃条件下干燥12小时，得到聚对苯二甲酰对苯二胺粉末。用乌氏粘度计测定对数比浓粘度为6.05。1.4结果1、通过连续聚合，获得了比浓对数粘度在6.3左右的PPTA树脂，且聚合过程相当稳定，所得树脂分子量波动极小（≤0.2）。2、通过调整聚合单体浓度、流量、温度等条件，弄清楚了各自对聚合物分子量及聚合过程的影响规律，为大规模生产确定了最优的生产条件及工艺，目前生产能力已达到300吨/年左右。3、该聚合技术获得一项发明专利：一种高粘度聚对苯二甲酰对苯二胺的合成方法（ZL201110051537.7）；申报一项已进入实审发明专利：一种高粘度聚对苯二甲酰对苯二胺的连续聚合方法（201210485717.3）。1.5聚合工艺流程NMPNMP储罐缓冲罐溶解罐TPC储罐混合器螺杆反应器后反应器高纯氮热油（加热）蒸汽高纯氮对苯二甲酰氯冰水（制冷保温）去回收部分二、溶剂回收部分2.1概述芳纶纤维的生产一般分为三部分：聚合、洗涤回收和纺丝。其中聚合物的洗涤和溶剂回收方法和效果对PPTA树脂的纯度，进而对纺丝效果具有重要的影响，所以PPTA聚合物的洗涤和相应的溶剂回收方案是芳纶生产过程中非常重要的一个环节。由于PPTA聚合物是通过用NMP作溶剂、氯化钙作助溶剂，将对苯二胺和对苯二甲酰氯经低温溶液缩聚反应而制得，而且PPTA聚合物不溶于水，而聚合用溶剂、助溶剂及反应过程中产生的小分子产物——氯化氢均溶于水，所以用水清洗反应得到的聚合物是非常便利的一种方法。常用的NMP回收方法有两种，第一种方法是先将洗涤废水中和，然后将中和后的废液减压脱水，得到含盐NMP溶剂，然后通过脱盐、精馏纯化得到NMP。此种方法减压蒸馏得到的水能够继续洗涤聚合物，但是由于水的沸点高、蒸发热大，能耗较高，而且在脱盐过程中一些氯化钙结晶会堵塞管道，不能连续生产，而且脱盐后的残渣中仍有一部分NMP，如果不继续回收会对环境造成严重污染。第二种方法是将洗涤废液经过多级萃取，得到含NMP及萃取溶剂的萃取相和含有大量水及氯化钙的萃余相，将萃取相中的萃取剂蒸馏出来后剩余NMP粗品经精馏得到NMP供回收利用，该方法能够减少NMP回收过程中的能耗，但是如果萃余相不经过后续处理将是大量的工业废水，环保压力很大。如果将萃余相经过汽提，能将水进行回收重复利用，但是这又增大了能耗。由上可知，现有对位芳纶聚合产物的洗涤方式都需使用大量的工业用水，环保压力大，若回收洗涤后的废水，回收过程中的能耗又较大。基于此，本工艺技术提出一种新的聚合物洗涤及相应的溶剂回收方法，能够极大的减少工业用水的用量及后续NMP回收的环保压力。2.2工艺设计路线所解决的技术问题是提供一种先利用脂肪族卤代烷烃洗涤对位芳纶聚合产物，然后再水洗的方法，从而大大降低能耗及工业废水产生量。该方法采用脂肪族卤代烷烃作洗涤溶剂直接洗涤芳纶生产过程中的聚合产物，将NMP和部分氯化钙从PPTA聚合物中分离出来，然后用水洗涤PPTA聚合物，得到高纯度的PPTA树脂。而卤代烷烃洗涤液经过简单的蒸馏分离，得到NMP/氯化钙混合液直接循环到PPTA聚合中，无需进一步的分离NMP和氯化钙。其具体步骤为：1、将聚合得到的混合物经粉碎机粉碎，过筛，加入一定量的脂肪族卤代烷烃，聚合混合物（质量，Kg）：卤代烷烃（体积，L）=1:1~4。搅拌5-120min，整个过程控制洗涤液温度在所用卤代烷烃沸点以下。然后减压过滤或离心分离，得到滤液和固体聚合物。所述脂肪族卤代烷烃优选二氯甲烷或三氯甲烷；2、重复步骤(1)中脂肪族卤代烷烃洗涤的方法，总洗涤次数为1-4次；3、将过滤得到的固体聚合物用2-4倍质量的常温去离子水搅拌洗涤5-60min，过滤，分别得到洗涤废水和固体聚合物；4、重复步骤(3)中水洗涤的方法，总洗涤次数为1-3次；5、固体聚合物经过干燥即得到粉末状PPTA树脂；6、卤代烷烃洗涤液经过减压蒸馏分离得到NMP/氯化钙溶液和卤代烷烃/氯化氢混合物，前者直接循环回到聚合使用；后者经过进一步的减压蒸馏分离，可以得到卤代烷烃和氯化氢；氯化氢经水或碱吸收得到稀盐酸或盐溶液；洗涤废水经过常规的工业废水处理，即可达标排放；水洗过程可以密封进行，也可以开放式进行。三、纺丝部分3.1原料：原料名称原料来源纯度PPTA树脂自制>99.99%浓硫酸市购精制酸烧碱市购分析纯3.2纺丝流程双螺杆挤出机双螺杆挤出机干燥树脂溶剂过滤脱泡纺丝洗涤干燥卷绕洗涤液沉淀水石膏3.3纺丝工艺聚合后物料聚合后物料循环洗涤含水树脂干燥干燥树脂洗涤液水蒸馏高纯溶剂精馏溶剂储罐去聚合部分REF_Ref168484640\r\h错误！未找到引用源。REF_Ref168484646\h错误！未找到引用源。l第3章芳纶纤维的发展现状3.1全球芳纶产业概况2011年全球芳纶生产能力超过10.6万t/a其中对位芳纶产能约6.9万t/a间位芳纶纤维的产能约为3.7万t/a。2009年之前，全球芳纶纤维产能主要集中在日本、美国和欧洲。生产芳纶纤维的公司也较为集中。生产间位芳纶纤维的主要公司为杜邦公司，产能为全球总产能的75%以上。生产对位芳纶纤维的厂家主要有：分别为美国杜邦公司、日本帝人公司、俄罗斯卡明斯克和特威尔化纤公司、韩国科隆公司。其他国家或公司仅有少量生产。近年，中国芳纶产业快速发展，产能迅速扩大，涌现出烟台氨纶、苏州圣欧安全防护材料和广州彩艳公司，逐渐改变了全球芳纶市场的供需结构。表1.4-4：2011年全球芳纶1313（间位芳纶）生产企业及产能情况序号企业名称商品名产能（t/a）1美国杜邦化学NOMEX25,0002烟台氨纶纽士达5,0003日本帝人CONEX2,7004广东彩艳彩芳斯2,0004苏州圣欧X-FIPER2,0005合计36,700表1.4-5：2011年全球芳纶1414（对位芳纶）生产企业及产能情况2009年全球芳纶纤维的消费量约为7.5万t。其中对位芳纶5.2万t，间位芳纶2.3万t。芳纶纤维的消费区域主要集中在美国、欧洲和日本。其中欧洲是世界芳纶的最大消费市场。其消费量占全球总消费量的48%，约为3.6万t。美国消费量占全球的36%；约为2.7万t；日本消费量约占全球的11%，约为0.8万t。2010年全球对位芳纶的需求量已恢复至5.7万t，2011年比2010年增长6％。约为6.04万吨。2011年全球对位芳纶产量和价格都出现明显回升，开工率达到85%，毛利率维持在40%以上。美国在中东频繁的军事行动大大刺激了芳纶1414在军事防护方面的消费，是国际上芳纶1414最主要的增长需求。全球对位芳纶是一个相对垄断的市场，是一个供给制约需求的市场，业内人士分析：2010年全球约有1.3万吨对位芳纶应用于防护领域，1.3万吨用于复合增强材料，0.9吨用于光缆增强材料，1.6万吨用于摩擦与密封材料，0.6万吨用于力学橡胶材料。这种预期促使全球两大芳纶生产企业杜邦和帝人公司均放大其产能。如杜邦于2011年底扩大其美国工厂的芳纶产能，而日本帝人也在近两年逐步将其三个生产基地的产能扩大。3.2中国芳纶纤维产业现状我国芳纶纤维的研制开发起步较晚。从上世纪80年代起，国内先后有多家单位进行了研究开发，目前，我国间位芳纶(芳纶1313)纤维已攻破技术难关，产品性质稳定，基本上实现了规模化生产。国产产品占有一定国内市场份额。并且还有部分产品出口到国际市场。目前中蓝晨光化工研究院正在建设1000t/a的对位芳纶纤维生产装置，预计该装置建成投产后将有效改变国外对位芳纶纤维技术封锁与垄断局面，填补国内空白。2009年我国间位芳纶产能约7600t/a。对位芳纶产能约255t/a，芳纶总产量约3000t。2011年总产能约为1.1万吨。其中间位芳纶产能约为0.9万吨/年，对位芳纶产能约为0.21万吨/年。国内间位芳纶（芳纶1313）的主要生产企业有3家，分别为烟台泰和股份有限公司，广东彩艳股份有限公司和圣欧(苏州)安全防护材料有限公司。国内对位芳纶（芳纶1414）的主要生产企业有4家，分别为中蓝晨光化工研究院、上海东华大学、烟台泰和股份有限公司和广东彩艳股份有限公司。这4家企业之前都已经建设有中试装置，正在计划进行扩建。表1.4-6：2011年中国芳纶1414（对位芳纶）生产企业及产能情况序号企业名称产能（t/a）备注1烟台泰和1,0002广东彩艳公司20规划建设100吨生产装置3圣欧安全防护材料——规划建设600吨生产装置4上海东华大学1005晨光化工研究院1,000扩建50吨芳纶三期项目6其他研究所57合计2,125但是对位芳纶纤维的产业化还一直未能实现，国内芳纶1414的产能较小，故芳纶纤维总体市场缺口较大。2009年我国芳纶纤维的需求量约5125t，芳纶纤维市场缺口超过2000t部分需求只能依靠进口解决2009年芳纶纤维进口量约2519t。出口量约394t。净进口量2125t。2007-2009年芳纶纤维进口量年均增长率约为16.7%。2011年中国对位芳纶年需求量约5000吨。几乎全部依赖进口。国内的烟台氨纶公司的1000吨对位芳纶产业化项目在2011年5月投产，产品尝试投放市场，由于之前国内芳纶1414产量极少，主要从国外进口，国内企业还处于开拓国内芳纶1414产品替代进口阶段。现阶段国内企业芳纶1414产品主要供客户测试用途，产品各种性能参数要根据下游需求不断调试。市场重心在民用部分，在军用防护领域，测试周期较长，国内产品要迅速开拓市场还比较困难。3.3中国芳纶纤维市场状况由于芳纶产品在军工领域受到国外企业的禁售，中国市场的间位芳纶纤维的主要消费集中于电气绝缘纸、阻燃织物和烟尘过滤袋等领域。依赖进口的对位芳纶纤维的消费主要集中于防弹防护材料、绳缆材料、橡胶工业和复合材料等领域。以国内知名企业2011年芳纶1313产品销售结构为例分析。公司芳纶产品销售量约为4000t。其中销售应用领域结构如下：（1）高温滤料和其他工业用途超过50%，该领域氨纶销量增长已经入稳定发展期；（2）其次防护领域占到40%，防御领域的芳纶使用处于快速发展期，公司预计销售量在2012年会增长30%左右；（3）产业工人防护由于价格较常规服装高，处于市场开拓阶段，国内企业将和杜邦产品处于全面竞争态势；从国际市场需求结构来看，国内芳纶1414潜在市场规模巨大，客观上讲国际芳纶1414产品出口中国受限，国内对安全防御防护材料的需求受到压制。国产芳纶1414产品一旦开发成熟，国内庞大的潜在需求将会得到有力的释放。业内人士预计到2015年，国内芳纶市场需求量将达到1.1万t。年均增长率将保持在10%以上。3.4我国芳纶纤维的消费现状及预测由于芳纶的投资成本高，技术难度大，工艺技术严格保密，长期以来只有美国和日本等极少数国家生产，产品被视为重要战略物资而严格管理，形成了技术和贸易的垄断，在价格上、货源上对我国实行特别限制，再加上国内技术、资金、原料和设备等原因，中国至今未能实现芳纶1414的工业化生产。近10年来，由于我国高科技产业的高速发展，芳纶1414又是支持高科技产业的基础材料，市场容量扩大，对芳纶1414的需求日趋紧迫，据统计我国每年直接和间接进口的芳纶及相关制品数以亿元计，缺口5000t以上，市场潜力极大。[15]2009年，我国芳纶纤维的消费量约5125t。目前芳纶纤维的主要消费领域是防弹防护材料、线缆材料、橡胶和复合材料工业。尤其是对位芳纶纤维在防护材料和复合材料上的应用增长较快。防护材料主要用于防弹织物以及防火织物，用于军事、安保、消防等领域；线缆主要用于高强绳索和光缆的张力构件；橡胶工业领域的用量稳步增长，主要是轮胎、胶管、传动带和胶料用短纤维的用量增长较快；复合材料主要应用于固体火箭发动机壳体，航天器的机身、主翼、尾翼等。预计到2015年，我国芳纶纤维的市场年需求量将会达到11000t，2009～2015年的年均增长率为13.6%。2009年国内芳纶纤维的消费结构及2015年的预测如表4-3所示[17-18]3.5国内外芳纶纤维的发展展望芳纶凭借其良好的机械性、优异的耐燃性阻燃性，稳定的化学性质等，在海内外用户中赢得普遍赞誉，具有广阔的市场发展前途。21世纪是新技术新材料的时代，也是高科技纤维的时代。随着科技进步和世界经济的进一步发展，芳纶纤维还将在更多领域有所应用，现在芳纶纤维不仅仅在航空航天、军事、工业生产方面得到了很好的运用，更是渗透到了人们生活中的方方面面。芳纶纤维在市场容量和更加复杂的性能方面将会加速发展。目前，美国、日本的芳纶制造商都争相扩大生产，世界芳纶工业正迎来一个大发展的机遇。我国要打破外国的芳纶技术垄断和突破生产技术的障碍，就必须全力以赴进行工程技术攻关，研制出具有中国自主知识产权的芳纶技术专利，生产出可与国外同类产品媲美的高性能芳纶纤维，以取得市场的制高点和主动权。随着我国对位芳纶产业化进程的推进，我们的化纤工业一定能在产业用纺织品领域发挥越来越大的作用。[20]结论结论发展具有差别化、功能化、特殊意义的高性能纤维和特种纤维是21世纪的主要研究课题，芳香族聚酰胺纤维作为典型的高性能纤维必将得到全面的发展。现代国防、消防、化工、冶金、水电、地矿、核工业等行业对具有隔热、透气、阻燃、耐温、耐腐蚀的特种材料的需求也将造就一个潜在的巨大市场。通过改性、新型成型技术和差别化研究，进一步改善其压缩强度、耐疲劳强度、弯曲模量、耐水耐光性能和表面粘合力，提高其使用性能，改善加工条件，降低生产成本，可以预计随着芳纶纤维生产技术和应用技术的革新，与芳纶纤维相关的功能纺织品将会得到更广泛的应用。现阶段我国的芳纶产品主要是高温过滤用的低端产品，服装及其他高端领域的应用较少，一些高端产品，如间位芳纶纸、长丝、可染纤维等尚未开发成功。高端间位芳纶产品的技术开发难度较大，成为芳纶在高端产品中应用的主要阻力。另外由于目前只有美国、日本、荷兰等国家可进行芳纶纤维大规模工业化生产，国内较少厂家能生产芳纶的成本较高，这就阻碍芳纶在许多行业的应用，如轮胎行业等。随着社会的发展，芳纶作为一种高性能的纤维，其应用将会越来越广泛，国内芳纶要借鉴国外的经验，进一步加大芳纶的生产规模，减少原纤化，提高摩擦性能，改善染色性能等，将会成为以后芳纶研究的主要方向。[21]谢辞本课题在选题及研究过程中得到胡骥老师的悉心指导。胡老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。胡老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时三载，却给以终生受益无穷之道。对胡老师的感激之情是无法用言语表达的。感谢诸位老师等对我的教育培养。你们细心指导我的学习与研究，在此，我要向诸位老师深深的鞠一个躬，并深深的表示感谢。

参考文献[1]李哗．对位芳纶的发展现状、技术分析及展望E[J]．合成纤维，2009，9(2):1-5[2]罗益锋．高性能纤维掘金勿忘科学发展[J]．中国化工信息，2010,1(8):6-7[3]李新新，张慧萍，晏雄．芳纶纤维生产及应用状况[J]．天津纺织科技，2009，187：4-9[4]罗益锋．聚焦海外高性能纤维新动向[J]．中国化工信息，2010：2(1):8-9[5]杨青，王小菊．改性芳纶短纤维Sulfron3001在轮胎胶料中的应用[J]．橡胶工业，2010，57(5):300-302[6]刘庆备，梅李超，孙友德．超级芳纶III的特性简介[J]．高科技纤维与应用，2008，33(5):7-10[7]江恩伟，杨中强，俞宗根，等．对位芳纶纤维纸在覆铜板中的应用研究[J]．绝缘材料，2010，43(2):20-23[8]袁金慧，江棂，马家举，等．芳纶的应用和发展[J]，高科技纤维网与应用，2005，30(4)，27-30[9]王维相，翁亚栋．芳纶在橡胶制品中的应用概况[J]，橡胶工业，2004，51，437-438[10]黎继荣．芳纶材料在高性能轮胎中的应用[J]，科技资讯，23(24)，31，35-36[11]董纪震，吴宏仁，陈雪英．合成纤维生产工艺学[M]．北京：纺织工业出版社，1989，318[12]高田忠彦．对位型芳纶的性能与应用[J]．高科技纤维与应用，1998，23(6)：40[13]马立，鲁烈峰，白仲安，等．芳纶纤维增强复合材料的机械加工[J].制造技术研究，2007，6(28)，30[14]严志云，刘安华，贾德民．芳纶纤维的表面处理及其在橡胶工业中的应用[J]，橡胶工业，2004，51，56[15]ThangaratnamRK,PalaninathanR,RamachandranJ.Thermalbucklingoflaminatedcompositeshells[J].AIAAJournal,1990,28(5):859-860[16]ChenJK,SunCT,ChangCI.Failureanalysisofagraphiteepoxylaminatesubjectedtocombinedthermalandmechanicalloading[J].JournalofCompositeMaterial,1985,19(5):408-423[17]BallantyneA,WoodroffeJA,CronburgTL.Modelingoftheinteractionof10.6μmlaserradiationwithreinforcedplastics[J].AIAAJournal,1981,19(6):731-738[18]StavridiM,GinnekenB,KoenderinkJJ.Surfacebidirectionalreflectiondistributionfunctionandthetextureofbricksandtiles[A].SPIE[C].1996,2599:406-417[19]ZaworskiJ,WeltyR,DrostMK.Measurementtechniquesforbidirectionalreflectanceofengineeringmaterials[A].ASME[C].1993,244:172-177[20]DavisH.MicrostructureOrganizationinParaaramidFibers[J].TextileResearchJournal,2000,70(11):945[21]Xiao-DongHu,ShawnEJenkin,ByungGMin,etal.HighPerformanceFiber(J).MacromolecularMaterialsandEngineering,2003,288(11):823-843

外文资料翻译BasedontheInternetofinjectionmoldintelligentdesignsystemAbstractTherapidgrowthofInternetandinformationtechnologiesinrecentyearsprovidesasolutiontosupportandfacilitatecollaborativeproductdevelopmentsamongdifferentgeographicallydistributedenterprises.AneffectiveandfeasibletooltoaidthecollaborativedevelopmentofinjectionmouldscanberealizedbydevelopinganInternet-basedmoulddesignsystemasoneofthemodulesofacollaborativeproductdevelopmentsystem.ThispaperpresentsaprototypeInternet-basedintelligentdesignsystemforinjectionmoulds.ThearchitectureofthesystemconsistsofaninteractiveKBmoulddesignsystemembeddedinanInternetenvironment.AJava-enabledsolutiontogetherwithartificialintelligencetechniquesisemployedtodevelopsuchanetworkedinteractiveCADsystem.Inthissystem,thecomputationalmodule,theknowledgebasemoduleandthegraphicmoduleforgeneratingmouldfeaturesareintegratedwithinaninteractiveCAD-basedframework.Theknowledgebaseofthesystemwouldbeaccessedbymoulddesignersthroughinteractiveprogramssothattheirownintelligenceandexperiencecouldalsobeincorporatedwiththetotalmoulddesign.Theapproachadoptedbothspeedsupthedesignprocessandfacilitatesdesignstandardizationwhichinturnincreasesthespeedofmouldmanufacture.ApracticalcasestudyispresentedtoillustratetheoperationsoftheInternet-basedmoulddesignsystem.2006ElsevierLtd.Allrightsreserved.1.IntroductionPlastic,whichisoneofthemostversatileinthemodernage,iswidelyusedinmanyproductsthroughouttheworld.Duetoitsabilitytoproducecomplex-shapeplasticpartswithgooddimensionalaccuracyandveryshortcycletimes,injectionmouldinghasbecomethemostimportantprocessformanufacturingplasticpartsintheplasticindustrytoday.However,thecurrentplasticsindustryisundergreatpressure,duetotheglobalizationofthemarket,theshortlifecycleofproductdevelopment,increasingproductdiversity,highdemandofproductquality.Tomeetsuchrequirements,itisveryimportantforthistradetoadoptvariousadvancedtechnologieswhichincludeinformationandInternettechnology,CAD/CAE/CAMintegrationtechnology,concurrentengineering,artificialintelligence,andsoon,toeffectivelyaidthedevelopmentofinjectionmouldedproduct.Ininjectionmoulding,thedesignofamouldisofcriticalimportanceforproductqualityandefficientprocessing.Inmostcases,qualityofmouldisresponsiblefortheeconomicsoftheentireprocess.Injectionmoulddesigninvolvesextensiveempiricalknowledge(heuristicknowledge)aboutthestructureandfunctionsofthecomponentsofthemould.Nowadays,moulddesignfaceswithincreasingdeadlinepressuresandthedesignitselfispredominantlybaseduponexperienceofthemoulddesigner.Moulddesignersarerequiredtopossessthoroughandbroadexperience,becausedetaileddecisionsrequiretheknowledgeoftheinteractionamongvariousparameters.Unfortunately,itispresentlyimpossibletocoverthegrowingdemandforsuchexperienceddesigners.Therefore,intelligentCADtoolsthatcanassistinthevarioustasksofthemoulddesignprocessareveryimportanttotheproductivityofthemould-makingindustry.ThegrowingtrendinglobalmanufacturingistoalargeextentsupportedbyInternet,informationtechnologiesandglobalmarketing.Nowadays,itiscommontoseethatdesign,manufacturingandfinalassemblyofaproductaremadeincompanieslocatedindifferentpartsoftheworld.Thevariouspartiesconcernedwouldneedtosharetheirexpertiseandexperiencesduringtheproductdevelopmentprocess.ThecurrentprogressofInternetandinformationtechnologiescanprovideasolutiontosupportandfacilitatecollaborativeproductdevelopmentsamongdifferentgeographicallydistributedenterprises.DevelopinganInternet-basedintelligentmoulddesignsystemasoneofthemoduleofacollaborativeproductdevelopmentsystemcanprovideaneffectiveandfeasibletooltoaidthecollaborativedevelopmentofinjectionmouldsinthesmall-andmedium-sizedenterprisestosatisfythestringentrequirementsofnowadayscompetitiveglobalmarket.ThispaperpresentsanInternet-basedintelligentmoulddesignsystemusingInternettechnologyandknowledge-basedapproach.Thesystemcanshortenthedesigncycleofinjectionmouldandcaneffectivelyaidthedesignanddevelopmentworksofinjectionmouldsinthesmall-andmedium-sizedenterprisestomeettheincreasingpressureofthecurrentcompetitiveworldmarket.Therestofthepaperisorganizedasfollows.Section2givesabriefintroducionofinjectionmoulddesign.Section3introducesearlierresearchworksonmoulddesignandrelatedfields.ThearchitectureoftheInternet-basedmoulddesignsystemispresentedinsection4.Theknowledge-basedpartofthemoulddesignsystemisdescribedinsection5.Section6discussesthedevelopmentofthesystem.Apracticaldesigncaseisdemonstratedinsection7.Conclusionismadeinsection8.2.InjectionmoulddesignThebasicfeaturesofaninjectionmouldconsistofcavitynumberandlayout,feedsystem,coolingsystem,ejectionsystemandmouldconstruction.Fig.1showsthegeneralprocedureofmoulddesign[1].Itcanbeseenthathowinterrelatedtheconditionsareandwhichboundaryandsecondaryconditionshavetobemetbythemainfunctions.Amoulddesignprojectnormallystartswitheconomicconsiderations,namelythequestionofhowmanypartscanandshouldbeproducedinonemouldinoneshotinordertomeetthedeliverydateandotherrequirements.Thisisfollowedbyconsiderationofthearrangementsofthecavitiesinthemouldframe,whichmightdirectlyincludethoughtsontheeaseofejectionandsubsequentl,theconnectionbetweenmouldingsandrunnersandpartquality(number,positionandshapeofgates).Thefeedsystemaccommodatesthemoltenplasticmaterialcomingfromtheinjectionnozzleofthemouldingmachineanddistributesitintoeachcavity.Toremovetheheatfromthemoulding,itisnecessarytoprovidethemouldwithacoolingsystem.Afterthemouldinghassolidifiedandcooleddown,ithastoberemovedfromthemouldbytheejectionsystem.Mouldisnormallyconstructedbystackingseveralmetalplatestoformarigidbody.Ithastohousevariousmouldcomponentsincorrectpositionsfortheproperfunctioningofthemould.Mouldconstructionnormallyinvolvestheselectionofmouldbasesandstandardmouldparts.Forcomplicatedplasticparts,someothermechanismssuchasslides,unscrewingdevice,etc.,mightalsobeinvolvedinthewholemouldstructure.3.RelatedresearchAnumberofresearchactivitieshavebeencarriedoutonmoulddesignanditsrelatedfieldovertheyearsusingcomputer-aidedtechniques.Theseresearchactivitiesrangefromstudyingspecificareasofmoulddesigntoinvestigatingmoulddesignasawholeintegratedsystem.Theycanbroadlybeclassifiedintothreeareas:thefunctionalandinitialmoulddesigns;thealgorithmstoautomatemouldgeneration;andsystemdevelopmentofmoulddesign.HuiandTan[2]presentedaheuristicsearchapproachbasedonsweepoperationstodevelopautomatedmoulddesignsystemsfordeterminingpartingdirection,partingline,sidecore,etc.Huangetal.[3]usedsolidmodellingtechniquestobuildmouldplatesandlibraryofstandardmouldcomponents.ChenandLiu[4]havedevelopedacostmodel,whichdepictstherelationshipsbetweencostfactorsandproductdevelopmentactivitiesaswellastheirrelationshipswithproductgeometry,forcost-effectivenessdesignforinjectionmoulding.Fuetal.[5]proposedanefficientmethodologywhichsystematicallypresentstheundercutfeaturedefinition,classification,undercutfeatureparameters,andtherecognitioncriteriaofalltypesofundercutfeaturesforundercutfeaturerecognitioninaninjectionmoulddesignsystem.Chenetal.[6]presentedamethodfordeterminationofpartingdirectionbasedondexelmodelandfuzzydecision-making.LiJC[7]presentedaneuralnetworkapproachformodellingandoptimizationofinjectionmouldgateparameters.LiCL[8]usedafeature-basedapproachtodesignthecoolingsystemofinjectionmoulds.ChungandLee[9]proposedaframe-workofcollaborativedesignenvironmentforinjectionmouldinginwhichgeographicallydistributed,multi-disciplinarydesignerscancollaboratewithoneanother.Maetal.[10]describedthedevelopmentofastandardcomponentlibraryforplasticinjectionmoulddesignusinganobject-orientedapproach.LowandLee[11]introducedamethodologyofprovidingtheinitialdesignin3Dsolidmodelinsteadof2Ddrawingsusingthestandardizationmethod.Ashaabetal.[12]describedasupportingplasticengineeringdevelopmentsystemtofacilitatethesharingofinjectionmouldinginformationandknowledgebetweeninterestedpartiesviatheInternetforthecollaborativedesignofinjectionmould.Lietal.[13]usedgraph-basedtechniqueanddevelopedaheuristicsearchalgorithmtoautomatethelayoutdesignofplasticinjectionmouldcoolingsystem.Researchershavestartedtoadoptaknowledge-basedapproachtosolvetheinjectionmouldingandmoulddesignproblemsinrecentyears.DTMOULD-1[14]isaKBSforofinjectionmouldscostestimation.EIMPPLAN-1[15]incorporatedmouldabilityconsiderationsintopartdesignsandaddressedtheconceptualdesigndevelopmentofinjection-mouldedparts.CADFEED[16]wasdevelopedforinjectionmoulddesign.Theyare,however,limitedtospecificdesignareasorsimpleparts,andarenotmatureandpracticalenoughtocovergeneralmoulddesign.BozdanaandEyercioglu[17]developedanexpertsystemforthedeterminationofinjectionmouldingparametersofthermoplasticmaterials.Chanetal.[18]presentedthebasicstructureofaCADknowledge-basedassistedinjectionmoulddesignsystemwhichcoversboththemoulddesignprocessandmouldknowledgemanagement.Fromtheabovereviewitcanbeseenthatmostofthepreviousworkconsideronlycertainaspectsofthetotaldesignandsomeofthemaretootheoreticaltobeappliedforpracticalmoulddesignwhichinvolvesasubstantialpracticalknowledgecomponentaboutfunctionsandstructureofamould,humanheuristicknowledgeandempiricaltypeofknowledge.TheKBsystemhasdemonstratedgreatpotentialtoassistthedesignertointeractwithaCADsystemforconceptualizeddesignaswellasthefinalengineeringdesignofamouldbyusingengineeringrulesofthumbwithextensiveanalyticalmeans.Inaddition,thereisstillrelativelyfewresearchworksonInternet-basedintelligentsystemforinjectionmoulddesign.4.ArchitectureoftheInternet-basedmoulddesignsystem4.1.OverviewAtthepresenttime,mostCADsystemsprovideonlythegeometricmodellingfunctionswhichfacilitatethedraftingoperationsofmoulddesign,anddonotprovidemoulddesignerswithnecessaryknowledgetodevelopgoodmoulddesigns.Conventionalcomputer-aidedengineeringpackagesareusuallygoodatdataprocessingforinformation-intensiveproblemsoratnumbermanipulationforformulation-intensiveproblems.Theformercomprehendsthecomputer-aideddraftingandgraphics,anddatareductionandtransformation;whilethelatterinvolvesnumerical(ormathematical)modellingandanalysis.However,indesignproblem,especiallyinmoulddesignwhichinvolvesasubstantialpracticalknowledgecomponentaboutfunctionsandstructureofamould,humanheuristicknowledgeandempiricaltypeofknowledgeareneededinadditiontotheinformation-intensiveandformulation-intensiveknowledge.Therefore,conventionalcomputer-aideddesigntechnologyisunsuitableforprocessingheuristicandempiricaltypeofknowledgewhichiscriticalinthemoulddesignproblems.Ingeneral,themajoradvantageoftheKBsystemformoulddesignoverconventionalcomputer-aideddesignsystemsistheexplicitrepresentationandmanipulationofabodyofknowledge,representingthehumanexpertise.AnInternet-basedmoulddesignsystemusingInternettechnologyandknowledge-basedapproachcanprovideaneffectiveandfeasibletooltoaidthecollaborativedevelopmentofinjectionmouldsinthesmall-andmedium-sizedenterprisestosatisfythestringentrequirementsofnowadayscompetitiveglobalmarket.Moreover,thereisaconsistentneedtocheckandupdatetheinformationtoensurethatthedataisaccurateandupdatedasmouldmanufacturersandstandardcomponentssupplierscontinuallyimproveandupgradetheirequipmentsandprocesses.Bytakingfulladvantageofthefastevolvingcomputernetworkandinformationtechnologies,anInternet-basedmoulddesignsystemcouldhavetheabilitytocontinuallyupdateandupgradethelargeamountofinformationrelatedtoinjectionmoulddesigninapromptandconvenientmanner.4.2.SystemarchitectureBasedonthepracticalmoulddesignproceduresandtheissuestobeconsideredinthisstage,thearchitectureofanInternet-basedintelligentinjectionmoulddesignsystemisproposedas